Fast alle Stoffe, die einem in den Sinn kommen, wenn man an Transparenz denkt, sind Flüssigkeiten. Glas hingegen ist eine interessante Ausnahme unter den festen Materialien, sowohl in seinen Formen als auch in seiner Transparenz.
Die meisten festen Gegenstände, denen wir in unserem täglichen Leben begegnen, sind undurchsichtig oder durchscheinend. Viele feste Materialien wie Stein oder Holz lassen kein Licht auf die andere Seite durch und wir können nicht sehen, was sich dahinter verbirgt. Die meisten Flüssigkeiten sind transparent.
Glas ist ein ungewöhnliches Beispiel unter den festen Materialien. Mit seiner transparenten Struktur lässt es Licht durch und ermöglicht uns den Blick auf das, was sich darin und dahinter befindet. Daher sind Glaswaren ein wesentlicher Bestandteil unseres täglichen Lebens. Haben Sie sich jemals gefragt, wie etwas so Festes und Langlebiges wie Glas Licht durchlassen kann?
War Glas nicht aus Erde? Wie kann Glas transparent sein, wenn der Boden es nicht ist?
Glas wird aus im Boden vorkommendem Schwefeldioxid hergestellt. Daher wird der Boden zunächst verschiedenen Prozessen unterzogen oder mit einigen Chemikalien vermischt, um dieses Material zu erhalten. Glas entsteht, nachdem das Rohmaterial hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
Alles beginnt in der Erdkruste. Dabei reagieren die beiden häufigsten Elemente Silizium und Sauerstoff miteinander zu Siliziumdioxid.
Bei der Umwandlung in Siliziumdioxid ordnen sich diese Moleküle zu einem sauberen Kristall namens Quarz an. Die meisten im Sand vorkommenden Partikel sind tatsächlich Quarz.
Aber wenn man in den Sand schaut, sieht man nichts Durchsichtiges. Denn die hart geformten Partikel und kleinen Verzerrungen in der Struktur dieser Quarzkristalle reflektieren und emittieren das auffallende Licht. Das heißt, sie können undurchsichtige Eigenschaften aufweisen.
Wenn Siliziumdioxid auf hohe Temperaturen erhitzt wird, verwandelt es sich in ein festes Material, ähnlich der gemischten Struktur einer Flüssigkeit, in der Moleküle genau wie Flüssigkeiten jede Lücke füllen können.
Wenn Quarz auf hohe Temperaturen erhitzt wird, vibriert er, bis die Bindungen, die die Energiemoleküle zusammenhalten, aufgebrochen werden und sich so in eine fließende Flüssigkeit verwandeln. Siliziumdioxid verwandelt sich, sobald es flüssig ist, nicht wieder in einen Kristall. Wenn die Moleküle Energie verlieren, verlieren sie ihre Fähigkeit, sich regelmäßig, also in fester Form, zu bewegen, und verwandeln sich in eine Form, die als amorpher Feststoff bezeichnet wird, selbst wenn sie abkühlt.
Dadurch wird die Oberfläche des Glases auf mikroskopischer Ebene gleichmäßiger und das Licht kann darauf treffen, ohne es in verschiedene Richtungen auszubreiten. Dies reicht jedoch nicht aus, um zu erklären, warum Licht nicht wie in vielen Festkörpern absorbiert wird, sondern durch Glas hindurchdringen kann.
Um zu verstehen, warum Glas transparent ist, müssen wir auf die subatomare Ebene blicken.
Das Atom hat einen Kern, um den Elektronen zirkulieren. Der größte Teil dieses Teils besteht jedoch aus Leerzeichen. Wenn ein Atom tatsächlich die Größe eines Stadions hätte, wäre sein Kern in der Mitte fast so groß wie eine Erbse, und die Elektronen wären wie weit entfernte Sandkörner. Dadurch bleibt genügend Raum, damit das Licht durchdringen kann, ohne auf diese Partikel zu treffen.
Wenn jedes Atom mit so viel Raum gefüllt ist, sollten wir uns eigentlich die Frage stellen: „Warum ist Glas transparent?“ nicht: „Warum sind nicht alle Materialien transparent?“ sollte sein.
Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns die verschiedenen Energieniveaus ansehen, die Elektronen haben können. Stellen wir uns das wie die Sitzreihen im Stadion vor. Einem Elektron wird eine Reihe zugewiesen, in der es an erster Stelle steht, es kann jedoch in eine höhere Reihe vorrücken, wenn es eine bestimmte Energie erreicht.
Die Eintrittskarte zu einer besseren Aufstellung besteht darin, eines dieser Lichtphotonen zu absorbieren. Dadurch erhält das Elektron die Energie, die es benötigt. Allerdings muss dieses Photon dem Elektron genau die benötigte Energiemenge liefern. Andernfalls wird das Photon einfach vorbeiziehen.
Photonen im ultravioletten Licht geben genau die gewünschte Energiemenge ab und werden absorbiert. Wenn Sie sich also bräunen möchten, können Sie sich nicht hinter Glas sonnen.
Diese großartige Eigenschaft, sowohl solide als auch transparent zu sein, ermöglicht seit Jahrhunderten die vielfältige Verwendung von Glas. Durch unsere Fenster, die die rauen Bedingungen der Natur draußen halten und das Licht hereinlassen; bis hin zu den Linsen, die es uns ermöglichen, Planeten und sehr kleine Lebewesen in den Tiefen des Universums zu sehen.
Gerade deshalb ist Glas aus dem modernen Leben kaum noch wegzudenken.